大気中のラマン散乱現象を利用したレーザービーム品質の非接触モニタリング

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本研究の目的は、レーザー加工等に用いられる高出力レーザーのレンズ集光時のビーム品質を、加工時に発生する微粒子によるミー散乱や迷光等のノイズの影響を抑制し、ビームを遮らずに非接触でモニタリングできる、大気中の気体分子によるラマン散乱現象を利用した測定法を確立することである。昨年度は、散乱光測定のための光学系の設計および測定装置の準備を行った。光学系の設計において、YAGレーザーの第二高調波を測定対象とし、ビーム品質計測に関する国際規格を満たすように、レーザー光をレンズで集光したときのビームウェイストでの空間分解能を1/20以下とし、ビームウェイスト前後のレイリーレンジの5倍の長さで発生した気体散乱光を測定することとした。この散乱光をビーム軸に対して直方向からイメージセンサ上に集光するには、縦横で倍率が異なるアナモルフィックレンズが必要であることがわかった。上記の規格を満たすように光学系の倍率を決定し、この光学系でビーム品質を測定可能なレーザー集光レンズの焦点距離を求めた。CT法によりビームプロファイルを求めるには、ビーム断面において線積分した散乱光がイメージセンサの各画素へ入射するように、散乱光の波長と光学系のF値に比例する回折限界で決まる分解能がメージセンサの画素サイズ以下で、分解能とF値に比例する被写界深度がレーザー光のビーム径より長い、光学系が必要であることがわかった。設計した光学系においてレーザーのエネルギーとイメージセンサにおける光電子数の関係を求め、ビーム品質測定可能なレーザーエネルギーの最低値について考察した結果、ラマン散乱光を測定して、従来のビーム品質測定法での結果と比較するには、光増幅を行うイメージインテンシファイアが必要であることがわかった。これに基づき、イメージインテンシファイアおよびその関連機器を購入し、計測システムの準備を進めている。